杜興林, 劉春娥, 張啟宇, 劉 峰, 宋玉娥, 王承國

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院, 山東 煙臺 264670; 2. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院, 北京100042)

海帶(Laminaria japonica)是一種常見的食用海藻, 其養(yǎng)殖在我國的水產(chǎn)行業(yè)中占有非常重要的地位。在海帶的養(yǎng)殖過程中, 育苗生產(chǎn)是其最重要和依賴人工操作較多的一環(huán)。在育苗生產(chǎn)過程中, 監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境條件的各項指標(biāo)變化, 并及時調(diào)控是保障育苗效果的基本手段, 需要監(jiān)測的指標(biāo)有水溫、pH、光照強(qiáng)度等[1];其中光照強(qiáng)度日變化范圍大, 對幼孢子和幼苗發(fā)育的影響顯著, 需要通過實時監(jiān)測和及時調(diào)控來保證海帶幼苗在生長期間接受適宜強(qiáng)度的光照。目前, 在我國多數(shù)海帶育苗企業(yè)中, 光照強(qiáng)度監(jiān)測采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法的情況[2]。所謂傳統(tǒng)人工監(jiān)測, 是在海帶育苗期間,技術(shù)人員手持光照強(qiáng)度計定時在車間內(nèi)走動對光照強(qiáng)度進(jìn)行測量, 并將測量結(jié)果記錄下來, 實現(xiàn)對光照強(qiáng)度的監(jiān)測。此方法不僅容易產(chǎn)生人為誤差, 而且效率低下, 不利于海帶育苗生產(chǎn)精細(xì)化及信息化的發(fā)展。

目前, 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展已將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)廣泛地推廣到種植業(yè)、畜牧業(yè)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中[3]。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)作為大農(nóng)業(yè)的重要組成部分, 生產(chǎn)技術(shù)的升級在一些方面已與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合發(fā)展,其中結(jié)合最緊密的是水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。在水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測方面, 毛力等[4]設(shè)計了用信息融合技術(shù)改進(jìn)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng), 華芳芳等[5]建立了基于 Web的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng), 肖瑞超等[6]建立了應(yīng)用于工廠化的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng), 欒培賢等[7]設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的鏡鯉池塘養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。海帶育苗生產(chǎn)作為水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要部分, 光照監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究較少。為彌補(bǔ)海帶育苗生產(chǎn)監(jiān)測研究的不足, 結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)條件和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)體系[8-9], 設(shè)計了應(yīng)用于海帶育苗過程中的光照強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

針對海帶育苗過程中車間信息監(jiān)控水平低和管理低效的問題, 系統(tǒng)采用集單參數(shù)多設(shè)備信息感知、無線和以太網(wǎng)聯(lián)合傳輸網(wǎng)絡(luò)、移動客戶端監(jiān)測為一體的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 精確采集各育苗池的實時光照情況、車間周圍天氣環(huán)境和相關(guān)設(shè)備工作狀態(tài)信息, 并對信息進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測管理。在應(yīng)用設(shè)計上, 為使整個系統(tǒng)的應(yīng)用和管理更為靈活、便捷, 將移動客戶端作為應(yīng)用層主要的業(yè)務(wù)控制中心。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個海帶育苗光照強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)由三層結(jié)構(gòu)組成: 感應(yīng)層、傳輸層、應(yīng)用層, 如圖1所示。

圖1 海帶育苗光照監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig. 1 Structural design of illumination monitoring system for kelp seedlings

系統(tǒng)的感應(yīng)層包含負(fù)責(zé)外部天氣監(jiān)測的太陽能氣象站和負(fù)責(zé)接收光照強(qiáng)度信息的監(jiān)測節(jié)點設(shè)備?？紤]到精準(zhǔn)監(jiān)測, 監(jiān)測節(jié)點的理想分布情況為每個育苗池兩個, 中軸線上靠近入水口1/3處與靠近出水口1/3處位置各一個, 如圖1感應(yīng)層部分所示。太陽能氣象站安置于靠近車間的開闊區(qū)域, 保證其監(jiān)測到真實準(zhǔn)確的天氣狀況。

傳輸層包括信息傳輸部分的各種設(shè)備、硬件以及作為數(shù)據(jù)儲存的代理服務(wù)器。信息傳輸部分除了硬件中的數(shù)據(jù)交互外, 還有網(wǎng)關(guān)節(jié)點和含有光照傳感器的監(jiān)測節(jié)點之間的無線通信系統(tǒng), 以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點與軟件平臺間的數(shù)據(jù)傳輸。

應(yīng)用層是以安卓系統(tǒng)為平臺設(shè)計的移動客戶端應(yīng)用, 提供實時數(shù)據(jù)監(jiān)測及部分特征分析等功能,負(fù)責(zé)主要的數(shù)據(jù)處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 感應(yīng)節(jié)點的設(shè)計

海帶育苗車間內(nèi)接收光照強(qiáng)度信號的感應(yīng)節(jié)點是感應(yīng)層設(shè)計的重點, 分為輸入部分、數(shù)據(jù)處理部分和通信部分。輸入部分由光照傳感器及其搭載的電路構(gòu)成, 功能為接收光照強(qiáng)度信號以及將光照強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號; 數(shù)據(jù)處理部分由處理器及其外設(shè)電路組成, 此部分功能包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理、特征提取、備份、其他預(yù)處理等; 通信部分的構(gòu)成是處理器自帶的 Wi-Fi通信硬件, 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送。監(jiān)測時, 感應(yīng)節(jié)點設(shè)備的光照傳感器接收到光照強(qiáng)度信號后將其轉(zhuǎn)換成模擬信號, 模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將信號輸入數(shù)據(jù)處理部分,通信部分將數(shù)據(jù)發(fā)送至代理服務(wù)器。

感應(yīng)節(jié)點設(shè)備的光照傳感器部分采用搭載BH1750FVI集成數(shù)字式光照度檢測傳感器的QY-302型光照傳感集成電路。BH1750FVI集成數(shù)字式光照度檢測傳感器對光照強(qiáng)度的探測范圍為1～65 535 lx[10-11],敏感度高, 對光源依賴性弱。搭載傳感器的集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括電二極管、運(yùn)算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及I2C接口和相應(yīng)的邏輯與寄存器模塊, 可實現(xiàn)光照強(qiáng)度的實時監(jiān)測以及將測得的光照強(qiáng)度信號實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)處理部分采用的核心處理器為樹莓派3B(Raspberry Pi 3B), 其自帶Wi-Fi模塊[12-13]、采用博通BCM2837處理器[13]、可運(yùn)行定制的 Debian Linux操作系統(tǒng), 性能符合作為感應(yīng)節(jié)點處理器的要求[14]。

處理器作為監(jiān)測節(jié)點的核心處理硬件, 接有存儲裝置可備份數(shù)據(jù), Wi-Fi通信模塊可保證正常通信,如圖 2所示。這樣的結(jié)構(gòu)使感應(yīng)部分的光照強(qiáng)度監(jiān)測節(jié)點對接收到的光照強(qiáng)度信息進(jìn)行處理和傳輸后,將數(shù)據(jù)融合打包發(fā)送給代理服務(wù)器, 完成感應(yīng)的功能[15-18]。監(jiān)測節(jié)點的正常運(yùn)轉(zhuǎn)通過電源供電來保證,Raspberry Pi 3B的供電最適要求是5V/2A, 屬于弱電設(shè)備, 考慮到育苗車間的環(huán)境情況, 該部分硬件的供電采用小型蓄電池或移動電源, 以方便與處理器共同進(jìn)行防水處理。

圖2 光照強(qiáng)度監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Node structure of illumination monitoring system

2.2 系統(tǒng)傳輸層的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中傳輸層由兩部分構(gòu)成: 負(fù)責(zé)車間及太陽能氣象站信號的網(wǎng)關(guān)節(jié)點、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲的遠(yuǎn)程服務(wù)器, 其中的核心硬件設(shè)備是網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳輸層與感應(yīng)層的各個設(shè)備間運(yùn)用Wi-Fi信號進(jìn)行無線傳輸, 故采用路由器作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)備[19]。

通訊連接利用 Wi-Fi信號通過作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點的路由器實現(xiàn)與服務(wù)器的連接, 各部分的連接情況如圖3所示。

圖3 傳輸系統(tǒng)構(gòu)造圖Fig. 3 Struction of the transmission system

網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)備基本功能是保證通信的穩(wěn)定、整合氣象站以及車間內(nèi)多個監(jiān)測節(jié)點的信號, 采用無線路由器。網(wǎng)關(guān)節(jié)點提供穩(wěn)定的無線通信信號使監(jiān)測節(jié)點設(shè)備將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳遞到服務(wù)器, 實現(xiàn)在移動終端APP上的同步監(jiān)測。

3 系統(tǒng)應(yīng)用的功能及測試

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用層功能設(shè)計

系統(tǒng)的應(yīng)用層主要為移動客戶端應(yīng)用程序, 為安卓應(yīng)用, 由Java語言編寫。開發(fā)環(huán)境搭建方面, 由于本項目傳輸層代理服務(wù)器使用騰訊云, 故開發(fā)中使用Java版本的騰訊云開發(fā)者工具套件(SDK)3.0以調(diào)用應(yīng)用程序接口(API)從服務(wù)器端下載數(shù)據(jù); 應(yīng)用主體部分使用谷歌官方Android Studio開發(fā)。

應(yīng)用結(jié)構(gòu)分為通訊、數(shù)據(jù)處理和顯示部分。通訊部分主要由騰訊云SDK 3.0及其他API構(gòu)成, 負(fù)責(zé)與代理服務(wù)器完成互動, 主要任務(wù)包括賬號登陸、數(shù)據(jù)上傳與下載等; 數(shù)據(jù)處理部分主要包括滑窗算法(對于一周、一天、一小時的數(shù)據(jù)繪制僅保留所需要數(shù)據(jù), 刪除過期數(shù)據(jù)以減小空間占用)、平均值計算、是否達(dá)成警報條件的計算等; 顯示部分包括應(yīng)用的UI與圖表繪制, UI設(shè)計依托Android Studio提供的模板完成, 圖表繪制依托Android plot庫實現(xiàn)。詳細(xì)的程序運(yùn)行流程如圖4所示。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用的功能

系統(tǒng)應(yīng)用的功能分為兩類: 對光照強(qiáng)度監(jiān)測進(jìn)行調(diào)控的參考設(shè)置、智能預(yù)判和警報功能, 對生產(chǎn)進(jìn)行管理的權(quán)限設(shè)置及管理功能。

圖4 程序單次運(yùn)行流程圖Fig. 4 Flowchart of the app for a single run

3.2.1 參考設(shè)置

移動終端APP最重要的功能是實時監(jiān)測和統(tǒng)計分析。而這兩個功能實現(xiàn)的關(guān)鍵是監(jiān)測系統(tǒng)中參考值的設(shè)置。

在海帶整個育苗過程中每天所需的最適光照強(qiáng)度不同, 所以每天的參考值設(shè)置不同。采苗后的三天是配孢子萌發(fā)為配子體的時間, 在這期間不需要太多光照, 育苗場會進(jìn)行半封光處理, 將每天的最高光強(qiáng)控制值設(shè)置為不高于1 200 lx。采苗三天后從萌發(fā)形成的配子體開始需要光照, 根據(jù)生產(chǎn)需求, 最初的光照強(qiáng)度為平均光強(qiáng)1 200 ～ 1 300 lx, 最高光強(qiáng)不超過2 500 lx; 以后每4～5天提高光照強(qiáng)度一次,單次最高光強(qiáng)提高300 lx, 平均光強(qiáng)提高150 lx[20]。監(jiān)測系統(tǒng)中的參考值設(shè)置的方式有兩種: (1)代入預(yù)先設(shè)置好的模式, 由系統(tǒng)應(yīng)用每天自行計算、動態(tài)調(diào)整; (2)生產(chǎn)技術(shù)人員人工輸入自定義。

3.2.2 智能預(yù)判

光照強(qiáng)度的監(jiān)測情況受天氣、遮光、監(jiān)測時段等多種因素的影響, 變化頻繁多樣, 因此需要智能預(yù)判系統(tǒng)來對各個影響因素進(jìn)行分析, 使生成的參考值范圍更為科學(xué)、準(zhǔn)確。智能預(yù)判系統(tǒng)通過分析太陽能氣象站收集的信息、調(diào)用天氣網(wǎng)站 API獲取的氣象數(shù)據(jù)、參考已存的海帶適宜光照的日改變經(jīng)驗值和標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)來對光照情況的變化、最大光照發(fā)生時間等因素進(jìn)行推算, 得到合適的參考數(shù)值。智能預(yù)判功能的具體工作流程如圖5所示。

智能預(yù)判與報警系統(tǒng)充分結(jié)合、建立聯(lián)系, 加強(qiáng)報警系統(tǒng)的警報發(fā)生的合理性。在嚴(yán)重影響光照的惡劣天氣時監(jiān)測到的光照數(shù)值情況相比有正常光照的天氣時特殊, 根據(jù)智能預(yù)判的工作流程默認(rèn)在相應(yīng)天氣時關(guān)閉功能, 以免造成混亂。

3.2.3 警報功能

報警系統(tǒng)是移動終端在光照強(qiáng)度超出范圍或者設(shè)備出現(xiàn)異常情況時發(fā)出警報通知生產(chǎn)人員的功能。由于光照情況受晝夜和天氣變化的影響變化大,報警系統(tǒng)在進(jìn)行對光照情況的監(jiān)視時會和智能預(yù)判結(jié)合起來。報警時會在移動終端通過彈窗、鈴聲等方式警報通知, 以便于管理人員及時注意到監(jiān)測異常。

3.2.4 權(quán)限設(shè)置及管理

在生產(chǎn)應(yīng)用期間, 系統(tǒng)的一些重要參考數(shù)據(jù)和特殊信息需要由生產(chǎn)管理人員來把控, 監(jiān)測時出現(xiàn)的技術(shù)問題需要相應(yīng)的技術(shù)人員來解決。因此在移動終端上有相應(yīng)的應(yīng)用權(quán)限分級: 生產(chǎn)人員、技術(shù)員、管理員。查看實時監(jiān)測值、查看設(shè)備情況、接收警報為三級權(quán)限中的基本權(quán)限; 技術(shù)員另有編輯和修改參考信息、更改光強(qiáng)采集節(jié)點信息、更改設(shè)備信息、調(diào)取歷史記錄、干預(yù)智能預(yù)判結(jié)果的附加權(quán)限; 管理員除了以上權(quán)限外, 另有權(quán)限管理和記錄修改的權(quán)限。

3.2.5 應(yīng)用客戶端界面設(shè)計

移動應(yīng)用客戶端界面如圖6所示, 設(shè)備界面允許用戶查詢傳感器終端的工作狀況與相關(guān)信息。警報模塊界面為警報記錄和智能檢測的生產(chǎn)日志, 該模塊在光照強(qiáng)度不在適宜范圍內(nèi)時進(jìn)行彈窗提醒。圖表和數(shù)據(jù)是應(yīng)用的核心功能界面, 圖表界面將著重提供數(shù)據(jù)的變化趨勢, 數(shù)據(jù)界面展示實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關(guān)設(shè)備信息。

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

為驗證海帶育苗過程光照強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果, 于2019年9月7日在海帶育苗工場進(jìn)行了應(yīng)用測試。生產(chǎn)監(jiān)測試驗的監(jiān)測時間, 結(jié)合海帶育苗生產(chǎn)經(jīng)驗及當(dāng)天的日出日落情況, 確定為06: 30—18: 00; 試驗過程中使用高精度光照強(qiáng)度測量器同步監(jiān)測, 檢驗系統(tǒng)的監(jiān)測精度。應(yīng)用測試時, 采集節(jié)點設(shè)備使用透明防水罩防潮防蝕, 放置在高于水面的架子上。測試前調(diào)節(jié)消除因透明罩而產(chǎn)生的監(jiān)測誤差, 當(dāng)天的監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

圖5 智能預(yù)判流程圖Fig. 5 Flowchart of intelligent prediction

圖6 移動終端應(yīng)用界面圖Fig. 6 Mobile terminal application interface diagram

表1 生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)表Tab. 1 Production monitoring data

通過測試時系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)對比得, 誤差率在 2%以內(nèi)。生產(chǎn)測試前, 通過手動設(shè)置的方式確定當(dāng)天光照強(qiáng)度要求的參考指標(biāo): 光照強(qiáng)度平均值(2 300～2 450 lx)和光照強(qiáng)度最高值(4 500 lx),系統(tǒng)根據(jù)實時天氣數(shù)據(jù)等因素動態(tài)計算各個時間段光照強(qiáng)度的范圍, 使調(diào)光工作有可靠的參考值作為指導(dǎo)。應(yīng)用刷新時, 同步更新監(jiān)測情況與天氣信息,方便技術(shù)員同時掌握實時的監(jiān)測結(jié)果與天氣情況。測試當(dāng)天, 天氣多云轉(zhuǎn)陰, 根據(jù)系統(tǒng)的智能預(yù)判流程, 確定為“多云時達(dá)到光照強(qiáng)度最高值, 陰時控制光照強(qiáng)度, 使光照強(qiáng)度在適宜范圍內(nèi)”, 系統(tǒng)根據(jù)初步預(yù)判結(jié)果結(jié)合已有經(jīng)驗值、太陽能氣象站的實時天氣數(shù)據(jù)動態(tài)計算光照范圍, 光照偏離光強(qiáng)范圍時移動終端發(fā)出警報。監(jiān)測結(jié)果表明, 上午多云時得到當(dāng)天光照強(qiáng)度最高值, 后續(xù)監(jiān)測結(jié)果受天氣和調(diào)光的影響有波動, 但總體控制在1 000～2 750 lx之間;當(dāng)天光強(qiáng)平均值為2 308 lx, 處于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。生產(chǎn)測試表明, 移動終端的諸多功能可充分運(yùn)用于生產(chǎn)工作中, 使系統(tǒng)的工作效果穩(wěn)定可靠。

5 總結(jié)與討論

系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)體系為基礎(chǔ), 采用集單參數(shù)多設(shè)備信息感知、無線和以太網(wǎng)聯(lián)合傳輸網(wǎng)絡(luò)、移動客戶端監(jiān)測為一體的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 實現(xiàn)海帶育苗過程光照強(qiáng)度的精確采集、實時監(jiān)測。生產(chǎn)監(jiān)測試驗所得結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定, 信息采集和實時監(jiān)測達(dá)到使用要求, 相對于傳統(tǒng)方式明顯提升了對光照強(qiáng)度的監(jiān)測能力。

在設(shè)計上, 為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的信息化管理水平, 可從以下方面擴(kuò)展改進(jìn):

(1) 系統(tǒng)以樹莓派作為硬件處理器, 目的是在保證系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定的同時, 提供更大的開發(fā)空間。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建全方位海帶育苗實時環(huán)境因子監(jiān)測系統(tǒng)是下一步的研究方向, 利用嵌入式系統(tǒng)加強(qiáng)海帶育苗的信息化管理, 進(jìn)一步實現(xiàn)育苗生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化。

(2) 深度挖掘積累的光照強(qiáng)度監(jiān)測大數(shù)據(jù), 通過云計算、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)加強(qiáng)對數(shù)據(jù)分析的能力, 進(jìn)而加強(qiáng)智能預(yù)判能力。

(3) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與監(jiān)測模式根據(jù)不同水產(chǎn)的養(yǎng)殖方式來調(diào)整, 將系統(tǒng)推廣到其他水產(chǎn)品的養(yǎng)殖生產(chǎn)中, 有利于實現(xiàn)精準(zhǔn)養(yǎng)殖, 推動水產(chǎn)養(yǎng)殖的精準(zhǔn)化和信息化發(fā)展。